超高海拔凍土區(qū)光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)的施工研究

白雪源，何曉寧

(西北水利水電工程有限責(zé)任公司，西安 710000)

0 引言

西藏自治區(qū)雙湖縣的可再生能源局域網(wǎng)光伏電站是修建在超高海拔、含冰量高、多年凍土區(qū)的一座光伏電站。場區(qū)的平均海拔高程為5000 m，年均氣溫約為-13℃，一年中8級以上的大風(fēng)天超過200天，凍土?xí)r間超過280天，多年凍土層的深度為-1.90 m，地質(zhì)層為砂質(zhì)泥巖層。該地凍土的構(gòu)造類別為層狀構(gòu)造，呈微層狀，粗顆粒土凍結(jié)，孔隙被較多冰晶充填，凍結(jié)強度較高。在這種條件下建設(shè)光伏電站易受凍融、缺氧、氣候惡劣等因素的影響，在進(jìn)行光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)的施工時難度較大，所要考慮的因素也較多，不能照搬低海拔地區(qū)的施工方法。本文以該可再生能源局域網(wǎng)光伏電站為例，對超高海拔凍土區(qū)光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)的施工工藝和施工方法進(jìn)行介紹，以期為同類工程的施工提供參考。

1 光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)的形式

本光伏電站采用的光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)的樁徑為250 mm，樁頂高出地面的高度不小于0.3 m，樁身入原土的高度不小于1.5 m，總樁長不小于1.8 m，示意圖如圖1所示。

圖1 光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of PV support micro-hole cast-inplace pile foundation

2 施工工藝流程及要求

光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)施工的工藝流程示意圖如圖2所示。

在超高海拔、含冰量高、多年凍土區(qū)進(jìn)行光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)施工要做到“快成孔、早澆筑、控溫度、遲拆模、強養(yǎng)護(hù)”這幾項要求。

圖2 光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)的施工工藝流程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of construction process of PV support micro-hole cast-in-place pile foundation

1)快成孔。通常，鉆孔過程中鉆機會將部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能，造成孔壁冰晶融化，影響孔的穩(wěn)定性，因此，鉆孔過程中應(yīng)控制鉆機的頻率和沖程，快速鉆至設(shè)計深度，盡量減少熱量傳導(dǎo)。

2)早澆筑。成孔后，為縮短孔內(nèi)凍土的暴露時間，減少熱交換，降低融化程度，應(yīng)盡早安裝鋼筋籠并澆筑混凝土。

3)控溫度。在樁基混凝土澆筑環(huán)節(jié)，需采用保溫性能良好的運輸工具，并將混凝土入模溫度控制在5 ℃以上，以避免混凝土水化熱時將熱量傳遞給樁周土體，從而帶來較大的熱擾動，使土體的凍結(jié)強度降低，導(dǎo)致樁基的承載力下降，穩(wěn)定性受到影響。

4)遲拆模?；炷翝仓戤吅?，應(yīng)及時對其進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù)，并將混凝土內(nèi)、外的溫差控制在15℃以內(nèi)；當(dāng)混凝土強度達(dá)到5.0 MPa(凝固時間不少于30 h)后，再延長8～12 h才可以拆除地面以上外露部分的模板。

5)強養(yǎng)護(hù)。對樁基混凝土采取“保溫、保濕、防凍”養(yǎng)護(hù)，從內(nèi)到外分別進(jìn)行塑料薄膜和棉氈覆蓋，以及周圍培土等養(yǎng)護(hù)措施，且養(yǎng)護(hù)時間不低于14天。

3 施工方法

3.1 測量放線

在施工前，首先對設(shè)計移交時的控制點進(jìn)行復(fù)核，在此基礎(chǔ)上布設(shè)平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)，建立永久性平面和高程控制點，并對控制樁進(jìn)行標(biāo)記與編號。采用全站儀在每個已設(shè)定好的光伏方陣的每組軸線上打上定位樁，將每排定位樁加密，通過定位樁引出控制樁并進(jìn)行加固，確保軸線不移位；用50 m鋼卷尺及全站儀進(jìn)行樁孔定位放線，并做好標(biāo)記；用水準(zhǔn)儀控制每個樁基的高程。

3.2 鉆孔

1)考慮到項目所在地的氣候條件、地質(zhì)條件、樁基技術(shù)要求、設(shè)備性能等因素，本光伏電站采用由裝載機改裝成的液壓驅(qū)動旋挖鉆機及平底鉆頭進(jìn)行施工。液壓驅(qū)動旋挖鉆機的成孔速度快，能有效減少孔壁的裸露時間，從而可降低凍土的融化速度；同時其還可以減少摩擦?xí)r間，進(jìn)而減少將機械能轉(zhuǎn)化為熱能的時間。

圖3 液壓驅(qū)動旋挖鉆機Fig. 3 Hydraulically driven rotary drilling rig

2)鉆機就位前應(yīng)對鉆機的各項準(zhǔn)備工作進(jìn)行檢查，就位后將鉆頭的中心對準(zhǔn)孔心位置，利用垂球分別從不同角度控制鉆桿的垂直度；待鉆桿校正垂直后，開始鉆孔。

3)鉆孔過程中，鉆機不能產(chǎn)生位移或沉陷，若產(chǎn)生，應(yīng)及時處理。

4)鉆孔過程中要嚴(yán)格控制孔的垂直度和深度，若發(fā)現(xiàn)孔斜或孔偏，應(yīng)及時進(jìn)行校正，必要時進(jìn)行擴孔。

5)鉆孔過程中應(yīng)控制鉆的速度，開始時可慢速鉆進(jìn)，鉆進(jìn)20～30 cm后，應(yīng)快速鉆進(jìn)，直至鉆至設(shè)計深度。

6)鉆孔時鉆出的砂土應(yīng)及時清理，避免鉆桿提出后周圍砂土受震動影響重新進(jìn)入孔內(nèi)，造成孔深達(dá)不到設(shè)計深度的情況；切削的土料由螺旋葉片輸送到地面，提鉆成孔。

7)孔深達(dá)到設(shè)計深度后，采用人工清孔裝置進(jìn)行清孔，清孔后對孔口進(jìn)行防護(hù)，以避免因風(fēng)沙飛揚影響孔深，導(dǎo)致澆筑時需再次清孔的情況發(fā)生。

8)鉆孔結(jié)束后，采用標(biāo)準(zhǔn)測錘檢測孔深、孔壁、垂直度、孔底虛土，并進(jìn)行詳細(xì)記錄；孔底虛土由人工清除。驗收合格后，立即下放鋼筋籠，澆筑混凝土，以減少樁孔閑置時間。

3.3 鋼筋籠的制作與安裝

1)鋼筋籠由直立主筋和環(huán)形箍筋2部分組成。其制作步驟為：①將制作環(huán)形箍筋時用到的圓筒(φ200 mm)焊接在鋼筋彎曲機圓盤上，圓筒底部留1個小孔，小孔直徑以略大于環(huán)形箍筋直徑為宜；將調(diào)直后的鋼筋插入小孔，啟動鋼筋彎曲機，隨著圓筒轉(zhuǎn)動，鋼筋逐步成環(huán)；待達(dá)到設(shè)計圖紙圈數(shù)后，停止鋼筋彎曲機，取下環(huán)形箍筋，并進(jìn)行人工拉伸，使環(huán)間距達(dá)到設(shè)計圖紙的要求。②制作圓木板，圓木板制作完成后，在圓木板上標(biāo)出主筋位置并鉆孔；圓木板上面放置環(huán)形箍筋，并從上往下插入直立主筋，且與圓木板上標(biāo)出的記號相對應(yīng)；扶正環(huán)形箍筋及直立主筋，依次進(jìn)行綁扎，為防止鋼筋籠搬運及吊裝時變形，需在加勁筋內(nèi)焊接十字撐；綁扎完畢后，從圓木板上取下鋼筋籠。

2)鋼筋籠采用小型車輛運輸時，應(yīng)用木塊或其他軟質(zhì)物品將其固定，并采取防滑落措施；而當(dāng)人工抬運時，應(yīng)將受力點設(shè)在加勁筋處。

3)安裝鋼筋籠時應(yīng)對其進(jìn)行二次檢查，若發(fā)現(xiàn)變形，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整；下設(shè)鋼筋籠時，應(yīng)對準(zhǔn)孔位，避免碰撞孔壁，且要保證位于鋼筋籠與護(hù)壁套管之間的鋼筋保護(hù)層的厚度；鋼筋籠安放就位后，在孔口四周采用鋼筋保護(hù)墊將鋼筋籠固定。

3.4 模板安裝

考慮到地面以下的混凝土澆筑時可能會發(fā)生塌孔，因此先在孔內(nèi)放置內(nèi)徑為25 cm(樁直徑)、厚度為3 mm的鐵皮管作為套管；地面以上部分采用直徑為25 cm的PVC管作為模板，并用抱箍固定；孔口設(shè)置混凝土穩(wěn)定止?jié){環(huán)，以保證PVC管模板的穩(wěn)定性，防止?jié)仓r漏漿。

3.5 澆筑混凝土

1)混凝土拌和?；炷翞樽园?，采用熱水拌合，水溫控制在60℃以內(nèi)。拌和時，先在攪拌機中加入骨料和熱水，將其均勻攪拌后再加入水泥和外加劑，拌和時間約為3 min。

2)混凝土的運輸?；炷敛捎眯⌒脱b載機或1.0 m3的工程車運送到施工現(xiàn)場，由人工入倉?；炷恋倪\輸過程需采取有效保溫措施，并盡可能縮短運輸時間。

3)混凝土澆筑。在開始澆筑之前，先清理地基表面，并將模板中的雜物、污垢等清理干凈。在對微孔灌注樁基礎(chǔ)進(jìn)行混凝土澆筑時，將混凝土入模時的溫度控制在5 ℃以上，并采用拔管法澆筑，即澆筑混凝土的同時進(jìn)行振搗和拔套管，以確保地下灌注樁內(nèi)的混凝土始終在套管里處于連續(xù)澆筑的狀態(tài)。對地面以上外露部分(30～50 cm)的PVC管模板進(jìn)行切縫，并用抱箍固定，以方便拆模，然后澆筑混凝土至設(shè)計頂標(biāo)高。

混凝土分層澆筑時，每層鋪料厚度都應(yīng)控制在30 cm以內(nèi)；振搗時采用直徑為30 mm的軟軸插入式振搗器振搗，振搗時要求插入下層混凝土的深度不小于5 cm，且保證振搗深度超過套管底部20 cm。振搗時間控制在15～20 s，振搗過程中按規(guī)范要求應(yīng)快插慢拔。

3.6 混凝土拆模與養(yǎng)護(hù)

混凝土的拆模方法采用前文中提到的“遲拆?！?，即當(dāng)樁基混凝土強度達(dá)到要求且超過臨界抗凍強度值，同時混凝土表面的棱角處不會由于拆模而出現(xiàn)損害后，再延長8～12 h拆模。拆模后的混凝土繼續(xù)采用前文提到的“強養(yǎng)護(hù)”方式。

4 應(yīng)用結(jié)果

實踐表明，采用傳統(tǒng)施工方法在超高海拔凍土區(qū)施工的光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)的質(zhì)量合格率不足70%，而采用本文所述施工方法施工的微孔灌注樁基礎(chǔ)的質(zhì)量一次驗收合格率達(dá)到100%。經(jīng)過2年多的惡劣氣候考驗，采用本方法施工的樁基穩(wěn)定，質(zhì)量良好，未出現(xiàn)表面開裂和樁基上浮或下沉的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文對應(yīng)用于超高海拔凍土區(qū)的光伏支架微孔灌注樁基礎(chǔ)的施工工藝和施工方法進(jìn)行了介紹，并指出在此類地區(qū)進(jìn)行微孔灌注樁施工，應(yīng)充分考慮樁周土體凍融特性及惡劣氣候條件的影響，做到“快成孔、早澆筑、控溫度、遲拆模、強養(yǎng)護(hù)”。希望本文介紹的施工工藝與方法能對高海拔凍土區(qū)微孔灌注樁施工提供一定的借鑒。